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前景广阔!新的研究有望实现过氧化氢的规模化生产

 发布时间:2021/8/20

 

能源消耗需求、化石燃料的有限供应以及能源生产行业造成的污染,面对这些挑战,科学家们寻找新的、更具成本效益和更环保的发电解决方案。目前的大部分能源都远非环保。在这种情况下,乍一看,电化学辅助化学物质的产生不会被怀疑在该领域具有任何巨大的应用潜力。


一种有前景的化合物是过氧化氢 (H 2 O 2)的无碳分子,具有强氧化和漂白特性。我们大多数人都记得 3-6% H 2 O 2用于消毒应用:皮肤消毒以防止小伤口感染。然而,作为氧化剂,过氧化氢在纸浆、造纸和纺织工业中应用广泛;它还用于除臭,例如作为污水和饮用水处理中氯的替代品。

尽管 H 2 O 2溶液很受欢迎且可用,但不再推荐使用 H 2 O 2溶液来治疗尖端伤口。然而,过氧化氢被用于液体燃料火箭、卫星甚至鱼雷的推进剂。它还可以用作燃料电池中的燃料或氧化剂,尽管其生产远非可持续和绿色。通常,这种化合物的生产需要使用危险化学品,这使得 H 2 O 2的工业规模合成成为一项全球性挑战。因此,需要为其生成的新解决方案。

近日,波兰科学院物理化学研究所的科学家们由教授领导。Marcin Opallo,与教授合作。洛桑联邦理工学院的 Hubert H. Girault 报告了关于通过氧还原反应 (ORR) 在两种液体之间的边界(如水-油界面)生成过氧化氢的详细研究。第一种是酸性水溶液,第二种是仅由离子组成的与水不混溶的溶剂:所谓的室温离子液体。在他们的报告中,Justyna Kalisz,他们将他们的数据与在通常具有小得多的粘度的分子溶剂形成的界面处获得的结果进行了比较。


研究人员指出,溶剂效应可能有助于理解H 2 O 2 的生成机制。比较由十三种离子液体和粘度相差三个数量级的分子溶剂形成的油水界面的数据,他们得出结论,控制 H 2 O 2生成效率的不是反应物传输而是 ORR 动力学。他们还发现,对于离子液体和分子溶剂,伴随着来自溶解在油相中的供体的电子转移的界面离子转移是不同的。

在这项工作中,我们已经证明离子液体的类型会影响油水界面O 2还原为H2O2的速率,发现当离子液体由较少疏水性阳离子组成时,H2O2 的生成效率更高,奥帕洛教授声称。


他补充说,我们还证明,应用由碳粉和离子液体制备的糊剂作为油相可以实现电子供体的电化学再生,从而提高界面反应效率。


过氧化氢的产生用扫描电化学显微镜(SECM)进行了研究。该技术允许局部确定界面反应的电活性产物的浓度,此处为 H2O2。一个电极(直径为几十微米)慢慢接近界面,记录在SECM探针尖端对应于氧化过程的电流。反应效率是根据电流与液-液界面的距离作为时间的函数的依赖性来估计的。


Opallo 教授评论说,根据 SECM 数据,我们发现净过程受氧还原反应动力学控制。值得注意的是,离子液体的高粘度允许应用糊状物(由碳粉和碳粉制备)。作为油相用于电子供体的电化学再生,以提高界面反应效率。在这方面,所研究的系统可以被视为均相氧化还原催化的一个例子。


ChemPhysChem杂志上报道的这项研究揭示了液-液界面反应的复杂性。与电极-溶液界面相反,所研究的界面具有自愈性且不易污染。它在化学品生产方面的应用仍处于起步阶段,但它可能具有广阔的前景。除了过氧化氢,主要由光驱动的氢气产生是另一个例子。

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